نقش «نانومواد سلولز» در صنعت خودرو

به گزارش پدال نیوز، تردد این همه خودرو با خود چالش‌های فراوانی به همراه دارد مانند مصرف سوخت، تولید آلاینده‌ها، قابلیت بازیافت مواد به کار رفته در آنها و... صنایع خودروسازی پیشرو همواره به دنبال راه‌حل‌های جدید برای مقابله با این مشکلات بوده‌اند. در همین زمینه کارشناسان صنعت خودرو توجه خود را به فناوری‌های نوین معطوف کرده‌اند.
 
با استفاده از این فناوری‌ها، همزمان با برآوردن نیازهای مشتری، نیازهای مشخص شده در استانداردها و مراجع ناظر برآورده شده و عملکرد اتومبیل‌ها ارتقا پیدا می‌کند. به‌تازگی مواد مبتنی بر سلولز مورد توجه خودروسازان قرار گرفته است. با وجود اینکه سلولز، فراوان‌ترین پلیمر طبیعی بر روی زمین است، فرآوری سلولز به‌صورت انواع مختلف ساختارهای میکرومتری و نانومتری به‌تازگی مورد توجه بسیار قرار گرفته است. امروزه نانوسلولز به‌عنوان نامزدی ایده‌آل در حوزه‌های کاربردی مختلف، به شکل گسترده‌ای مورد بررسی و پژوهش واقع شده است.
 
عوامل تقویت‌کننده در نانوکامپوزیت‌های مورد استفاده در خودرو، سپر خودرو، روکش‌های سطحی مورد استفاده در فضای داخلی، پوشش سقف خودرو، لامپ‌های جلو و... ازجمله زمینه‌های کاربردی بالقوه آنها هستند.
نانومواد سلولز
نانومواد سلولز از درختان، گیاهان و جلبک‌ها مشتق شده و یا به‌وسیله باکتری‌ها و جانوران نیام‌دار تولید می‌شوند. نانومواد سلولز به سه گروه عمده شامل ۱- نانوفیبریل‌های سلولز ۲- نانوبلورهای سلولز و ۳- نانوسلولز میکروبی تقسیم‌بندی می‌شوند. گرچه نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر نانوسلولز را نیز می‌توان به‌عنوان دسته چهارم به شمار آورد.
 
ویژگی مهم نانومواد سلولز این است که آنها از منابع تجدیدپذیر و بسیار فراوان به‌دست می‌آیند و امکان تولید آنها در سراسر جهان و در مقادیر بسیار زیاد وجود دارد. همچنین این نانومواد زیست‌تجزیه‌پذیر بوده و محصولات حاوی آنها، قابلیت بازیافت خواهند داشت. نانوسلولز دارای خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای به صورت ترکیبی از مشخصه‌های سفتی بالا، وزن کم، سطح ویژه بزرگ و نسبت استحکام به وزن چشمگیر است. محدوده وسیع خواص و مورفولوژی شناخته شده برای نانومواد سلولز، زمینه‌ساز انواع کاربردهای بالقوه آنها در صنعت خودرو است.
 
 
نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر سلولز
از نانومواد سلولز به‌عنوان تقویت‌کننده‌های کامپوزیت یا پلیمر، پرکننده یا الیاف نیز استفاده می‌شود که علاوه بر ایجاد خصوصیات مطلوب، کم‌هزینه است. استفاده از مواد مبتنی بر سلولز به‌عنوان تقویت‌کننده در کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، کاربرد نوینی برای مواد به‌دست آمده از طبیعت دارد. این موضوع مزایای متعددی نیز برای محیط‌زیست ازجمله کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به درون اتمسفر در طول چرخه تولید، فرآوری و کاربرد دارد. انتظار می‌رود میکروسلولز و نانوسلولز بتوانند جایگزین پرکننده‌های معدنی و شیشه‌ای در صنعت خودرو شوند. مواد میکرومتری و نانومتری مبتنی بر سلولز به‌دلیل تجدیدپذیری، چگالی کم، ماهیت زیست‌محیطی بی‌خطر (غیرسمی بودن)، فراوانی میزان دسترسی و خواص مکانیکی برجسته در صنعت اتومبیل مورد توجه بسیاری قرار گرفته‌اند.
 
 
علاقه زیادی نیز در کاربرد مواد مشتق‌شده از چوب در کامپوزیت‌ها، به دلیل فراوانی طبیعی و هزینه کم آنها وجود دارد، امّا این زمینه هنوز در مراحل مقدماتی خود قرار دارد. در حال حاضر، کامپوزیت‌های چوب-پلاستیک دارای بازار ثابتی است. برای کاهش هزینه‌ها از الیاف چوبی استفاده می‌شود. عملکرد الیاف چوبی در این کامپوزیت‌ها بسیار شبیه به یک ماده پرکننده است. کامپوزیت‌های فعال‌شده با نانوسلولز دارای انعطاف‌پذیری طراحی و مقاومت بیشتر در برابر رطوبت نسبت به چوب هستند. از این نانوکامپوزیت‌ها در قسمت‌های مختلف خودرو از قبیل پنل‌های داخلی خودرو استفاده می‌شود. به طور معمول کاربرد آنها در بخش‌هایی است که هنگام کار، تنش‌های بالایی را متحمل نشوند.
 
 
نانومواد سلولز طیف وسیعی از ویژگی‌های امکان‌پذیر دارای ارزش‌افزوده ازجمله استحکام بهبودیافته، سبک‌وزن بودن و حافظه شکلی را فراهم می‌کنند. شکل‌های گوناگون نانوسلولز، ساختارهای منحصر به فردی دارند که برای توسعه محصولات سبز و نوین فعال‌شده با نانومواد سلولز، قابل استفاده هستند. یک مثال خاص، کاربرد نانومواد سلولزی در کامپوزیت‌های سبک‌وزن با کارآیی بالا است.  
 
کامپوزیت‌های فعال‌شده با نانوسلولز و حاصل از بافتن نانومواد سلولزی و الیاف مشتق‌شده از سلولز به صورت حصیر، می‌توانند درنهایت جایگزین لایه‌ها و حصیرهای لیفی کربن شوند. این امر می‌تواند منجر به جایگزینی مواد تجدیدناپذیر و مواد مبتنی بر فسیل شود که در حال حاضر برای ساختن قسمت‌های مختلف خودرو از قبیل داشبورد، صندلی‌ها، حصیر کف اتاق خودرو و حتی پنل‌های بدنه یا چارچوب خودرو استفاده می‌شوند. فایبرگلاس یک کامپوزیت متداول است که بسیاری از مردم با آن سروکار دارند.
 
از فایبرگلاس برای ساخت محصولات متنوعی چون دستگیره ابزارها، کالاهای ورزشی، بدنه دوچرخه، قایق‌ها و حتی بدنه برخی از ماشین‌های اسپورت استفاده می‌شود. فایبرگلاس نمی‌تواند به صورت شفاف ساخته شود و برای استفاده در کامپوزیت، یک ماده سنگین است. جایگزین‌کردن حصیر فایبرگلاس با حصیر متشکل از نانوسلولز می‌تواند مواد جدید سبک‌وزن‌تری را به ارمغان آورده و منجر به جانشینی محتمل محصولات تجدیدناپذیر با مواد سلولزی تجدیدپذیر و بادوام شود.
 
همچنین با جایگزین کردن مواد افزودنی مبتنی بر نفت با نانومواد سلولز، می‌توان پایداری کامپوزیت‌ها را افزایش داد. به دلیل اینکه نانومواد سلولز زیست‌تجزیه‌پذیر هستند، کاربرد آنها موجب می‌شود محصولات حاوی این مواد، قابلیت بازیافت داشته باشند. برای مثال، نانوبلورهای سلولز و نانوفیبریل‌های سلولز می‌توانند با پلی‌لاکتیک اسید ترکیب شوند تا یک کامپوزیت زیست‌تجزیه‌پذیر تقویت‌شده با الیاف با منبع بسیار زیستی به وجود آورند.
 
 
کاربردهای نانومواد سلولز
توسعه مواد سبک‌وزن یک هدف کلیدی برای صنعت خودروسازی است. صنعت خودرو به سوی استفاده از مواد سبک‌وزن و محکم برای افزایش راندمان سوخت وسایل نقلیه حرکت می‌کند. به همین دلیل است که سازندگان اتومبیل به دنبال مواد و شیوه‌های جدیدی برای ایمن ساختن اتومبیل و در عین حال سبک‌تر کردن وزن آن هستند.
 
به‌عنوان مثال، شرکت ب‌ام‌و یک بدنه کامل خودرو از جنس الیاف سبک‌وزن کربن، پلاستیک تقویت‌شده همراه با برخی قسمت‌های داخلی ساخته‌شده از اجزای چوبی توسعه داده است. مثال دیگر شرکت ولوو است که برای کاهش وزن پنل‌ها، پنل داخلی درب را از کامپوزیت چوب/پلاستیک ساخته است. بررسی‌های کارشناسی نشان می‌دهد کاهش ۱۰درصدی وزن یک خودرو می‌تواند مصرف سوخت آن را بین ۶ تا ۸درصد کاهش دهد. کاهش ۵۰درصدی وزن خودروها تا سال ۲۰۵۰م هدف اصلی برخی از کشورها قرار گرفته است.
 
در حال حاضر، نانومواد سلولزی ظرفیت بالایی برای کاربرد در تولید بسیاری از اجزاء خارجی و داخلی خودرو از قبیل پنل‌های بدنه، چارچوب خودرو، سپر، ادوات نوری، تایر، چارچوب صندلی‌ها و روکش‌های سطحی، پنل‌های داخلی و تزئینی خودرو، حصیر کف اتاق، پوشش سقف و... از خود نشان داده‌اند.
 
کاربردهای نانوسلولز در ساخت اتومبیل‌های بسیار کارآمد از نظر سوخت و همچنین در سوخت‌های زیستی به‌تدریج در حال گسترش است و این نانومواد به‌دنبال گسترش نقش حیاتی خود در محصولات فعلی موتوری هستند.
 
نانوسلولز به‌عنوان جایگزین مناسبی برای مواد گران‌قیمت مانند الیاف و نانولوله‌های کربنی نیز مطرح شده است. در حالی که قیمت الیاف کربن به بیش از ۲۰ دلار به ازای هر کیلوگرم می‌رسد، نانوبلورهای سلولزی دارای قیمت ۱۰-۴ دلار به ازای هر کیلوگرم هستند. در صنعت خودرو از کامپوزیت‌های نانوسلولز با پلی‌پروپیلن، پلی‌آمید (مانند نایلون‌ها) و یا پلی‌استرها (مانند PBT) استفاده می‌شود.
 
توسعه این کاربردها ناشی از توانایی نانومواد سلولز در ساخت محصولات بسیار پایدار است. همچنین ماهیت طبیعی این نانومواد منجر به دفع محصولات دارای نانوسلولز از طریق بازیافت و همچنین بهبود زیست‌تخریب‌پذیری این محصولات شده است. بنابراین نانومواد سلولز علاوه بر بهبود قابلیت بازیافت اجزای اتومبیل از طریق افزایش قسمت‌های پایدار اتومبیل، می‌توانند آثار زیست‌محیطی ناشی از بسیاری محصولات موتوری را کاهش دهند.
 
اجزای ساختاری و خارجی
در حال حاضر توسعه اجزای ساختاری فوق مستحکم و سبک‌وزن تقویت‌شده با نانوسلولز برای خودرو موردتوجه پژوهشگران و قطعه‌سازان قرار گرفته است. یک شرکت فعال در این زمینه API، فروش‌های تجاری نانوسلولز را در سال ۲۰۱۵ م آغاز کرده است. این ماده زیستی جدید می‌تواند به طریقی بسیار سازگار با محیط‌زیست و رقابتی از نظر بازار، جایگزین پلاستیک‌های مبتنی بر نفت‌خام شود و عملکرد آنها را افزایش دهد.
 
الیاف کربن بسیار مستحکم و سبک هستند اما تولید آنها هزینه‌بر بوده و به همین دلیل از آنها فقط در کاربردهای نهایی بسیار خاص مثل هوافضا و وسایل لوکس استفاده می‌شود. نانوسلولز حتی دارای وزن کمتری نسبت به الیاف کربن بوده و به همان میزان مستحکم است. با توجه به این کشف صنعتی، قیمت نانوسلولز کسری از قیمت الیاف کربن خواهد شد. سلولز فراوان‌ترین ماده آلی طبیعی در کره زمین است که تجدیدپذیر بوده و قابلیت تبدیل به کود آلی را دارد.
 
کاربرد در سپر و اجزای ضربه‌گیر
 
فوم‌های مبتنی بر نانوسلولز دارای سفتی منحصر به فردی هستند. این ویژگی در کنار سایر خصوصیات حاصل شده از نانومواد سلولزی باعث می‌شود استفاده از آنها به‌عنوان مواد ضربه‌گیر و کاربرد آنها در سپر خودرو مناسب باشد.
 
کاربرد نانوسلولز در ادوات نوری خودرو
 
کامپوزیت‌های مبتنی بر نانوسلولز دارای مقاومت خوبی در برابر شرایط محیطی، کارآیی بالا در عین سبک‌وزن بودن و انعطاف‌پذیری طراحی بسیار قابل توجهی هستند. به همین دلیل از آنها در ساخت قسمت‌های مختلف خودرو مانند محفظه قرارگیری لامپ‌ها و قاب آنها استفاده می‌شود.
 
نانوسلولز و چارچوب خودرو
 
جایگزین‌کردن ساختارهای فولادی سنگین درون خودروها از قبیل چارچوب صندلی‌ها با پلیمرهای پیشرفته تقویت‌شده با نانومواد سلولزی، هدف بسیاری از پژوهشگران است. چراکه این نانومواد از نظر قیمت با مواد متداول دیگر برابری می‌کنند. کامپوزیت‌های نانوسلولزی این نوید را می‌دهند که یک جایگزین مقرون به‌صرفه برای کامپوزیت‌های گران‌قیمت الیاف کربنی سبک‌وزن باشند که در حال حاضر در برخی از اتومبیل‌های لوکس به کار برده می‌شوند.
 
نانوسلولز و تایر خودرو
 
امروزه پژوهش‌های زیادی درباره تاثیر نانوسلولز بر روی لاستیک طبیعی در حال انجام است. پژوهشگران سلولز نانوبلورین اصلاح شده را به جای سیلیکا به کامپوزیت‌های لاستیک طبیعی اضافه کردند. این نانو سلولز علاوه بر فعال‌سازی فرآیند ولکانیزاسیون (حرارت زیاد) و عملکرد بهتر فرآیند، باعث خنثی‌سازی اثر پاین، افزایش ۳۰۰درصدی مدول، مقاومت گسستگی و سفتی و کاهش گرمااندوزی و متراکم‌سازی شد. از سوی دیگر مزایای منحصربه‌فردی چون تجدیدپذیری، زیست‌تجزیه‌پذیر بودن، فراوان بودن، چگالی پایین، هزینه کم و سازگاری آن با محیط‌زیست باعث شده که نانوسلولز به‌عنوان یک پرکننده مناسب به جای سیلیکا به کار برده شود.
 
کاربرد در پنل‌های داخلی و تزئینی
 
قابلیت نانومواد سلولزی در تولید آئروژل‌ها و فوم‌های ساختاری می‌تواند منجر به توسعه پنل‌های داخلی و تزئینی سبک‌وزن خودرو از قبیل داشبورد تزئینات داخلی و پنل‌های داخلی درب خودرو شود.
 
مزیت استفاده از نانومواد سلولزی در روکش‌های سطحی فضای داخلی خودرو، پوشش سقف خودرو، حصیر کف اتاق و صندلی‌های خودرو این است که ظاهر و مقاومت سطح را در برابر سایش و خراش بهبود داده و ظاهری موزون و وزنی سبک را فراهم می‌کند.
 
سایر کاربردها
 
از دیگر کاربردهای نانومواد سلولزی ظرفیت می‌توان به حوزه رنگ و پوشش، حوزه الکترونیک، تصفیه هوا و سوخت و... اشاره کرد. به‌عنوان مثال انتظار می‌رود نانومواد سلولزی، خصوصیات رنگ و پوشش خودرو ازجمله جلای آنها را بهبود بخشند. ازجمله کاربردهایی که نانومواد سلولزی در حوزه الکترونیک دارند و در خودرو نیز استفاده می‌شوند می‌توان به کاربرد آنها در حسگرها، نیمه‌رساناها، باتری‌های لیتیومی و صفحه نمایشگر خودرو اشاره کرد. با توجه به توسعه روزافزون کاربردهای نانومواد سلولزی، پیش‌بینی می‌شود این نانومواد در فیلترهای تصفیه هوا، روغن و سوخت و پیل‌های سوختی نیز مورد استفاده قرار گیرند.
 
منبع: صمت